Forskere udvikler teknik til fremstilling af lysbøjende hindbærlignende metamolekyler

Metamaterialernes felt handler om at lave strukturer, der har fysiske egenskaber, som ikke findes i naturen. At forudsige, hvilke slags strukturer der ville have disse træk er en udfordring; fysisk at fremstille dem er noget helt andet, da de ofte kræver præcis opstilling af indgående materialer på de mindste skalaer.

Forskere ved University of Pennsylvania har nu udtænkt en måde at masseproducere metamaterialer, der udviser magnetisk resonans i optiske frekvenser. Kaldes "hindbærlignende metamolekyler" på grund af deres unikke form, disse nanoskala strukturer kunne bruges som byggesten til metamaterialer, der kunne sprede lys, som om de havde magnetiske egenskaber, som kunne være relevante for applikationer inden for optisk behandling og signalhåndtering. Disse hindbærlignende metamolekyler reagerer på lysets magnetfelt, som en løkke af tråd gør på en oscillerende magnet.

Denne evne stammer fra de præcise arrangementer af det hindbærlignende metamolekyles "drupeletter, " som er sammensat af guld nanopartikler. Disse drupelets skal være så tætte som muligt uden at røre dem for ikke at "kortslutte" de optiske elektriske felter omkring dem. Gennem en omhyggeligt designet kemisk proces, der har belagt hver drupelet med et isolerende overfladeaktivt stof, Penn-teamet var i stand til at placere disse nanopartikler med en gennemsnitlig afstand på kun to nanometer fra hinanden.

Og fordi samlingen af ​​nanopartikeldrupelets og den overfladeaktive belægning kan udføres i et enkelt trin, enorme mængder af disse hindbærlignende metamolekyler kan fremstilles på én gang, frem for at blive møjsommeligt samlet én ad gangen.

Forskningen blev udført af hovedforfatter Zhaoxia Qian, som for nylig dimitterede med en doktorgrad i kemi fra Penn's School of Arts &Sciences; Nader Engheta, H. Nedwill Ramsey professor i elektro- og systemteknik ved Penns School of Engineering and Applied Science; Zahra Fakhraai, assisterende professor i kemi i Penn Arts &Sciences; og So-Jung Park, tidligere lektor ved Institut for Kemi, nu professor i kemi ved Sydkoreas Ewha Womans University. Simon Hastings medvirkede også, som for nylig dimitterede med en doktorgrad i fysik, og kemi kandidatstuderende Chen Li, sammen med forskningsspecialist Brian Edwards og gæstende bachelorstuderende Christine K. McGinn, både i el- og systemteknik.

Det blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

Hvis man tager en løkke af tråd og fører en magnet op og ned gennem midten, det resulterende oscillerende magnetfelt driver elektroner rundt i ledningen, producerer elektrisk strøm i ledningen. Det princip er i spil i enhver generator, som har magneter, der svinger omkring 50 hertz, eller 50 gange i sekundet. Men hvad nu hvis dette princip kunne udvides til optiske frekvenser, i størrelsesordenen 500 terahertz? I stedet for at producere elektricitet, løkken ville være i stand til at manipulere synligt lys.

"Der er ingen kendte materialer, der har magnetiske egenskaber i optiske frekvenser, " sagde Fahkraai. "Hvis du kunne fremstille strukturer som denne, de kunne være byggesten til metamaterialer, der kunne sprede lys, som om de havde magnetiske egenskaber."

Engheta forudsagde, at en sådan struktur var mulig i 2006, og i de mellemliggende år har andre forskningsgrupper fysisk produceret metamaterialer, der udviser denne egenskab. Sådanne strukturer var for det meste omhyggeligt konstruerede ringe af metal nanopartikler, placeret på en flad overflade, så elektroner faktisk ikke kunne bevæge sig mellem dem.

"Fordi metallet ikke rører, " sagde Engheta, "elektronerne kan kun oscillere inden for individuelle partikler og kan ikke bevæge sig fra en nanopartikel til dens nabo. Dette er kendt som en forskydningsstrøm. Det er som at lave bølgen på et stadion; ingen fan bevæger sig fra deres sæde, men bølgen bevæger sig rundt i en cirkel."

En hindbærlignende konfiguration, hvor nanopartikler er sfærisk samlet omkring en kerne, snarere end en ring, ville være endnu bedre, da et tværsnit af hindbæret fungerer som en ring af nanopartikler, uanset hvilken retning magnetfeltet påføres. Andre forskere er begyndt at bevæge sig fra mekaniske samlingsteknikker til den kemiske selvsamling af sådanne strukturer, men har ramt vejspærringer.

Penn-teamets tilgang løser problemerne ved at anvende en syntetisk tilgang.

"Folk har prøvet at lave den slags strukturer i løsning før, typisk ved at samle præsyntetiserede nanopartikler, " sagde Qian, "men det er svært at opnå høj tæthed af nanopartikler, der pakker sig gennem den rute."

"I vores tilfælde, " sagde Park, "vi genererer tætpakkede nanopartikelklynger ved en syntetisk tilgang, hvor nanopartikelvæksten og -samlingen sker samtidigt. En udfordring i en sådan syntetisk tilgang er, at voksende nanopartikler har en tendens til at danne en sammensmeltet skal. I vores metode, vi bruger et specielt overfladeaktivt stof, der danner en molekylært tynd, men tæt beskyttende, lag omkring nanopartiklerne, som forhindrer dem i at røre hinanden."

Penn-teamets syntetiske metode reducerer noget af den kompleksitet, der ellers følger med at lave disse hindbærlignende metamolekyler.

"Det er som at lave en gryderet, " sagde Engheta. "Du smider alt i én gryde."

Ingredienserne til gryderet er polystyrenkugler dekoreret med små sølvfrøpartikler, sølvnitrat, guldsalte og reduktionsmidler, der nedbryder disse salte og tillader guldatomerne at danne nanopartikler. Alle disse ingredienser er placeret i en vækstformel, der indeholder det isolerende overfladeaktive stof, som danner et tyndt lag på ydersiden af ​​de voksende guldnanopartikler, dæmper dem fra hinanden.

Yderligere forskning i kemien af ​​overfladeaktive stoffer vil gøre det muligt for holdet at reducere afstanden mellem nanopartiklerne endnu mere, for yderligere at styrke de magnetiske egenskaber af de hindbærlignende metamolekyler. Den egenskab er afgørende for strukturernes evner til at manipulere lys og dermed bruges i optiske enheder.

"Hvis du vil lave induktorer ved optiske frekvenser, " Fahkraai sagde, "du har brug for noget, der kan reagere ved meget høje frekvenser. Jo tættere vi kan komme nanopartiklerne, jo stærkere kan vi gøre spredningen af ​​lys på grund af magnetiske effekter."